關(guān)于不同制冷系統(tǒng)應(yīng)用于冷庫的探討

郭 靖

（松下冷機系統(tǒng)（大連)有限公司，遼寧 大連 116600）

引言

氟利昂制冷系統(tǒng)有著較高的安全性和穩(wěn)定性，雖然會對環(huán)境造成一定的破壞，但在我國小型冷庫中依然廣泛使用。氨制冷系統(tǒng)是我國大中型冷庫使用的制冷系統(tǒng)，目前，在自動化和智能化程度上低于發(fā)達國家，中型、大型冷庫的實際運行需要消耗較高的成本，不利于氨制冷系統(tǒng)的有效推廣。復(fù)疊式制冷系統(tǒng)可以對貨物進行超低溫快速冷凍，能有效滿足人們對冷凍食品新鮮度的要求。因此，在實際應(yīng)用中，需結(jié)合冷庫的需求和不同制冷系統(tǒng)的特點選擇制冷系統(tǒng)。

1 氟利昂制冷系統(tǒng)

1.1 氟利昂制冷系統(tǒng)特點

氟利昂制冷系統(tǒng)適合應(yīng)用于人員密集或大型商場中的中小型冷庫制冷，具有以下特點：一是氟利昂制冷劑無毒、無刺激性氣味，且機組配置簡單、技術(shù)相對成熟。二是氟利昂制冷系統(tǒng)中的設(shè)備體積較小，不僅可以降低占用面積，而且整體噪音小。三是氟利昂制冷系統(tǒng)也有一定的缺點，一旦氟利昂制冷器發(fā)生泄漏，就會對環(huán)境產(chǎn)生破壞，且因為氟利昂制冷劑是無刺激性氣味，很難被發(fā)現(xiàn)和及時檢測到。另外，在同等制冷需求下，氟利昂制冷系統(tǒng)的效率低于氨制冷系統(tǒng)的制冷效率[1]。

1.2 制冷劑替代和其性質(zhì)

目前市場中使用氟利昂制冷系統(tǒng)時，在制冷劑的選擇上大多使用R22，對臭氧層的破壞較為明顯，為了更好地應(yīng)用氟利昂制冷系統(tǒng)，目前已經(jīng)針對R22制冷劑替代品進行了研究，在替代品中ODP的值為0，不過在GWP的數(shù)值上還較高。結(jié)合市場中氟利昂制冷劑的使用情況，R407C和R404A是使用最常見的制冷劑替代品。雖然這些制冷劑代替R22不會對臭氧層產(chǎn)生破壞，但在實際制冷劑的替代中，需要對不同制冷劑的化學(xué)性能、物理性能進行分析，只有在充分了解不同替代制冷劑的差異性后，才可以有效利用不同制冷劑替代品。3種制冷劑的熱力性質(zhì)如表1所示。

表1 R22、R407C和R404A的熱力性質(zhì)表

表1中，臭氧消耗潛能（Ozone Depletion Potential）簡稱ODP；全球變暖潛能（Global Warming Potential）簡稱GWP（根據(jù)GB/T 7778—2017，制冷劑安全性可分為8類，從安全到危險分別為A1、A2L、A2、A3、B1、B2L、B2和B3）。

2 氨制冷系統(tǒng)

2.1 氨制冷系統(tǒng)特點

在目前的冷庫制冷系統(tǒng)應(yīng)用中，氨制冷系統(tǒng)的應(yīng)用面最為廣泛，具有以下特點：一是氨作為天然的制冷劑，在GWP和ODP上都為零，蒸發(fā)壓力和冷凝壓力都處于正常范圍，且標準大氣壓下的蒸發(fā)溫度和普通低溫冷庫凍結(jié)間的蒸發(fā)溫度一致，同時冷凝壓力在冷卻水溫30～35℃中壓力為1～1.4 MPa，最高不會超過1.5 MPa。二是氨的物理性質(zhì)決定了在單位體積制冷劑下是氟利昂制冷量的2倍，因此，同等制冷量需求下，氨制冷劑的使用量更小。三是氨制冷劑也有一定的缺點，其安全等級為B2，不僅有毒，而且空氣中氨濃度超過16%后，就有遇明火爆炸的風(fēng)險[2]。

冷庫制冷過程中，在使用氨制冷系統(tǒng)時，會采用兩級壓縮中間完全冷卻循環(huán)，具體制冷系統(tǒng)原理如圖2所示。結(jié)合圖2可以看出，氨制冷系統(tǒng)的冷庫中設(shè)備較多，不僅有制冷循環(huán)設(shè)備，也要有一些輔助設(shè)備，例如油分離器、放油管、高壓儲液器和低壓液體循環(huán)桶等。

圖2 雙級壓縮氨制冷系統(tǒng)

2.2 氨制冷系統(tǒng)優(yōu)化

為了保證氨制冷系統(tǒng)的運行安全性，需要降低系統(tǒng)中氨的注射量，我國針對氨制冷系統(tǒng)中的氨注射量有明確規(guī)定，總充注量不能超過40 t，且氣體氨作為重大危險化學(xué)物品，儲存量的臨界值為10 t。因此，可以使用工業(yè)制冷的分布式超低氨充注系統(tǒng)（ULC）來對氨的注射量進行控制，其系統(tǒng)原理如圖3所示。ULC系統(tǒng)是模塊化分布式制冷系統(tǒng)，能將蒸發(fā)器風(fēng)扇和壓縮機結(jié)合在一塊，為減短制冷劑進入蒸發(fā)器的路程，使用封閉耦合式單元和自動化電子制冷劑供液控制技術(shù)實現(xiàn)對制冷劑的控制。另外，該系統(tǒng)的冷凝部分并非利用非管殼式冷凝器，而是使用融合并聯(lián)板式換熱器，因此，冷凝器管道中不會存有大量的氨制冷劑。該系統(tǒng)和傳統(tǒng)的單級中央制冷系統(tǒng)比較，ULC系統(tǒng)在能源消耗上可以降低8%，同時氨注射量可以減低97%、用水量可以降低4%，經(jīng)過試驗，氨制冷系統(tǒng)中出現(xiàn)單個分布式單元損壞時，氨泄漏量最多不會超過50 kg，與傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)相比較，安全性更好[3]。

圖3 分布式低氨充注系統(tǒng)

3 復(fù)疊式制冷系統(tǒng)

3.1 復(fù)疊式制冷系統(tǒng)特點

降低蒸發(fā)溫度才可以更好地降低冷庫的溫度，受制冷劑熱力性質(zhì)的影響，在具有較低沸點溫度的同時，也有著較高的臨界點溫度，同時在低溫制冷循環(huán)中，低溫制冷劑的蒸發(fā)溫度雖然較低，不過水冷冷凝器卻無法滿足冷凝溫度的需求，為此需要利用復(fù)疊式制冷原理。具體而言，復(fù)疊式制冷循環(huán)可以分為高溫部分和低溫部分，且兩個循環(huán)部分使用一個蒸發(fā)冷凝器，如圖4所示。結(jié)合復(fù)疊式制冷系統(tǒng)低溫部分的蒸發(fā)溫度變化和高溫部分冷凝溫度變化看，低溫部分的蒸發(fā)溫度變化對系統(tǒng)COP的影響較大，在低溫級，壓縮機能耗受蒸發(fā)溫度的影響較大，需要復(fù)疊式制冷系統(tǒng)降低低溫級功耗，提高制冷效率。

圖4 復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)

3.2 在超低溫冷庫中應(yīng)用

在超低溫冷庫中，溫度標準在-80～-45℃之間，這樣的超低溫可以快速制冰和快速冷凍食品。例如，可以對一些名貴海鮮產(chǎn)品進行有效速凍，且超低的溫度可以在保存肉類時避免肉類細胞之間形成冰晶體，保證肉質(zhì)的鮮美口感。在超低溫冷庫中對蒸發(fā)溫度有限制，氨制冷劑和CO2制冷劑不能達到需求，因此，使用R22/R13復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，在低溫部分的蒸發(fā)溫度能達到-80℃以下。受到氟利昂制冷劑對環(huán)境造成破壞的影響，常用R170制冷劑替代R13制冷劑，R170制冷劑具有易燃性，只能用于充液量較小的低溫制冷設(shè)備中，不適合大中型冷庫設(shè)備制冷，存在明顯的局限性。

4 結(jié)語

復(fù)疊式制冷系統(tǒng)雖然可以快速對產(chǎn)品進行冷凍，但當前市場中的超低溫制冷劑應(yīng)用，主要還是使用氟利昂制冷劑。在限制使用氟利昂制冷劑的背景下，其制冷劑的替代品也不能滿足大中型冷庫需要。另外，氟利昂制冷劑還會對環(huán)境造成不可逆的破壞，在同等制冷需求下，所消耗的制冷劑要遠高于氨制冷系統(tǒng)，因此，在普通的低溫冷庫建設(shè)中，氨制冷系統(tǒng)具有較強的優(yōu)勢。雖然目前氨制冷系統(tǒng)存在著一定的危險性，不過通過技術(shù)優(yōu)化可以極大地降低氨制冷劑的注射量，從而提高冷庫運行的安全性，氨制冷系統(tǒng)將會是我國的冷鏈行業(yè)發(fā)展中的必經(jīng)之路。